JP7528429B2 - 定着ベルト、定着装置、及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
<1>
厚さ方向中央部よりも外周面のイミド化率が低い環状のポリイミド樹脂基材層と、
前記ポリイミド樹脂基材層の外周面上に設けられた金属層と、
前記金属層の外周面上に設けられた弾性層と、
を有する定着ベルト。
<2>
前記ポリイミド樹脂基材層の外周面におけるイミド化率が、50%以上95%以下である<1>に記載の定着ベルト。
<3>
前記ポリイミド樹脂基材層の外周面におけるイミド化率が、60%以上90%以下である<2>に記載の定着ベルト。
<4>
前記ポリイミド樹脂基材層の外周面におけるイミド化率が、60%以上80%以下である<3>に記載の定着ベルト。
<5>
前記ポリイミド樹脂基材層における、前記厚さ方向中央部と前記外周面とのイミド化率の差(絶対値)が、5%以上50%以下である<1>~<4>のいずれか1項に記載の定着ベルト。
<6>
前記ポリイミド樹脂基材層における、前記厚さ方向中央部と前記外周面とのイミド化率の差(絶対値)が、10%以上40%以下である<5>に記載の定着ベルト。
<7>
前記ポリイミド樹脂基材層における、前記厚さ方向中央部と前記外周面とのイミド化率の差(絶対値)が、20%以上40%以下である<6>に記載の定着ベルト。
<8>
前記ポリイミド樹脂基材層が、芳香族ポリイミド樹脂を含む基材層である<1>~<7>のいずれか1項に記載の定着ベルト。
<9>
前記芳香族ポリイミド樹脂が、下記一般式(PI1)で表される構造単位を有するポリイミド樹脂である<8>に記載の定着ベルト。
(一般式中、RP1はフェニル基、またはビフェニル基を示し、RP2は2価の芳香族基を示す。)
<10>
前記金属層が、前記ポリイミド樹脂基材層の外周面上に設けられた下地金属層と、前記下地金属層の外周面上に設けられた金属発熱層と、前記金属発熱層の外周面上に設けられた金属保護層と、を有する<1>~<9>のいずれか1項に記載の定着ベルト。
<11>
<1>~<10>のいずれか1項に記載の定着ベルトと、
前記定着ベルトの外周面を加圧する加圧部材と、
前記定着ベルトの金属層の少なくとも一部を電磁誘導によって発熱させる電磁誘導装置と、
を有し、
未定着のトナー像が表面に形成された記録媒体を前記定着ベルトと前記加圧部材とで挟み込んで前記トナー像を前記記録媒体に定着させる定着装置。
<12>
像保持体と、
前記像保持体の表面を帯電させる帯電装置と、
帯電した前記像保持体の表面に静電潜像を形成する静電潜像形成装置と、
前記像保持体の表面に形成された静電潜像をトナーにより現像してトナー像を形成する現像装置と、
前記像保持体の表面に形成されたトナー像を記録媒体に転写する転写装置と、
前記トナー像を前記記録媒体に定着させる<11>に記載の定着装置と、
を有する画像形成装置。
<3>、又は<4>に係る発明によれば、ポリイミド樹脂基材層の外周面におけるイミド化率が、60%未満又は90%超えである場合に比べ、金属層の割れを抑制した定着ベルトが提供される。
<6>、又は<7>係る発明によれば、ポリイミド樹脂基材層における厚さ方向中央部と外周面とのイミド化率の差(絶対値)が、10%未満又は40%超えである場合に比べ、金属層の割れを抑制した定着ベルトが提供される。
本実施形態に係る定着ベルトは、
厚さ方向中央部よりも外周面のイミド化率が低い環状のポリイミド樹脂基材層と、
前記ポリイミド樹脂基材層の外周面上に設けられた金属層と、
前記金属層の外周面上に設けられた弾性層と、
を有する。
ポリイミド樹脂基材層は、ポリイミド樹脂のイミド化により表面に極性基(アミド基、カルボキシル基)が少ない状態となっている。そのため、ポリイミド樹脂基材層は、例えば、めっき液との濡れ性が低い、極性基による金属層との相互作用(水素結合等)が小さい等の理由から、金属層との接着性が低い。特に、高温高湿環境下では、ポリイミド樹脂層が吸湿した水分を金属層が透過しないため、ポリイミド樹脂基材層と金属層との接着性が低くなる。
図1に示す定着ベルト10は、例えば、環状のポリイミド樹脂基材層10Aの外周面上に、金属層10Bと、接着剤層10Cと、弾性層10Dと、離型層10Eと、が順に積層された層構成を有する定着ベルトである。接着剤層10C及び離型層10Eは、必要に応じて設けられる層である。
また、金属層10Bは、例えば、下地金属層102、金属発熱層104、及び金属保護層106がこの順に積層されている。下地金属層102は必要に応じて設けられる層である。また、金属発熱層104は、定着ベルト10を電磁誘導方式の定着装置に用いた場合、電磁誘導作用により自己発熱する層である。
ポリイミド樹脂基材層10A(以下、単に「基材層10A」とも称する)は、ポリイミド樹脂を主成分として含む、なお、「主として」、「主成分」とは、質量比で50%以上であることを意味し、以下も同義である。基材層10Aには、ポリイミド樹脂以外に周知の添加剤を含んでもよい。
また、同観点から、基材層10Aにおける、厚さ方向中央部と外周面とのイミド化率の差(絶対値)は、5%以上50%以下が好ましい。
そして、定着ベルト10を画像形成装置の定着装置内で長期間使用すると、繰り返し屈曲によって、金属層10B(特に、金属発熱層104)に割れ(以下「クラック」ともいう)が生じてしまうことがある。特に、金属層10Bのクラックは、基材層10Aと金属層10Bの接着力が低い場合、高温高湿度下で水分を含んだ状態での急速加熱で、基材層10Aと金属層10Bとの剥離が生じた場合に発生しやすい。
同観点から、基材層10Aにおける、厚さ方向中央部と外周面とのイミド化率の差(絶対値)は、10%以上40%以下が好ましく、20%以上40%以下がより好ましい。
により
(i)フーリエ変換赤外分光光度計((PerkinElmer社製Frontier)を用いて、表面改質処理後のポリイミド樹脂基材層の外周面の赤外吸収スペクトルを測定する。表面近傍の赤外スペクトルを得るため、ATR法(ユニバーサルATR/Geクリスタル)で測定する。1500cm-1付近の芳香環由来ピーク(Ab1514cm-1)の吸光度に対する1714cm-1付近のイミド結合由来ピーク(Ab1714cm-1)の吸光度の比率I(x)を求める。一方、ポリイミド樹脂基材層の厚さ方向中央部は、機械的に切削し内面を露出させて測定する。
(ii)同様にして、380℃にて60分間加熱してイミド化反応を行ったイミド化率100%標準試料について測定を行い、1500cm-1付近の芳香環由来ピーク(Ab1514cm-1)の吸光度に対する1714cm-1付近のイミド結合由来ピーク(Ab1714cm-1)の吸光度の比率I’(100)を求める。
・式: ポリイミド樹脂基材層の外周面のイミド化率=I(x)/I’(100)
・式: I’(100)=(Ab’(1714cm-1))/(Ab’(1514cm-1))
・式: I(x)=(Ab(1714cm-1))/(Ab(1514cm-1))
また、2種以上を組み合わせて併用する場合、芳香族テトラカルボン酸二無水物、又は脂肪族テトラカルボン酸二無水物を各々併用しても、芳香族テトラカルボン酸二無水物と脂肪族テトラカルボン酸二無水物とを組み合わせてもよい。
そして、芳香族ポリイミド樹脂としては、下記一般式(PI1)で表される構造単位を有するポリイミド樹脂であることがより好ましい。
RP2が示す2価の芳香族基は、フェニレン基、ナフチル基、ビフェニル基、ジフェニルエーテル等が挙げられる。2価の芳香族基としては、耐熱性の観点から、フェニレン基、ビフェニル基が好ましい。
・カラム:東ソーTSKgelα-M(7.8mm I.D×30cm)
・溶離液:DMF(ジメチルホルムアミド)/30mMLiBr/60mMリン酸
・流速:0.6mL/min
・注入量:60μL
・検出器:RI(示差屈折率検出器)
下地金属層102は、基材層10Aの外周面に金属発熱層104を電解めっき法により形成するために予め形成される層であり、必要に応じて設けられる。金属発熱層104の形成方法としては、コスト等の観点から電解めっき法が好ましいが、主に樹脂で構成される基材層10Aを用いる場合は、直接電解めっきを行うことが困難である。そこで、金属発熱層104形成のため、下地金属層102を設けることが好ましい。
下地金属層102としては、例えば、無電解ニッケルめっき層、無電解銅めっき層等が挙げられる。なお、「ニッケルめっき層」とは、Niを含むめっきの層(例えば、ニッケル層、ニッケル合金層等)であることを表し、「銅めっき層」とは、Cuを含むめっきの層(例えば、銅層、銅合金層等)であることを表す。
金属発熱層104は、磁界が印加された際にこの層内に発生する渦電流により発熱する機能を有する発熱層であり、電磁誘導作用を生ずる金属で構成される。
電磁誘導作用を生ずる金属としては、例えば、ニッケル、鉄、銅、金、銀、アルミニウム、クロム、錫、亜鉛などの単一金属、又は、2種類以上の金属を含む合金が挙げられる。コスト、発熱性能、及び加工性を考慮すると、銅、ニッケル、アルミニウム、鉄、クロムが適しており、その中でも特に、銅又は銅を主成分とする合金が好ましい。
金属保護層106は、金属発熱層104の膜強度を向上させ、繰り返しの変形による亀裂、長時間の繰り返し加熱による酸化劣化等を抑制し、発熱特性を維持するために、金属発熱層104と接触して設けられる。
電界めっき法により形成する場合、まずニッケルイオン等の金属イオンを含むめっき液を準備し、このめっき液に下地金属層102及び金属発熱層104を有する基材層10Aを浸漬して電解めっきを行い、求められる厚さの電解めっき層を形成する。
金属層10Bの外周表面を構成する層(図1では金属保護層106)と弾性層10Dとの間には、両層の接着性を向上させる観点で、必要に応じて、接着剤層10Cを介在させてもよい。
具体的には、例えば、まず、接着層形成用塗布液を金属層10B上に塗布(例えば、フローコート法(螺旋巻き塗布)による塗布)して、必要に応じて、乾燥および加熱することで接着剤皮膜を形成する。上記乾燥における乾燥温度としては、例えば、10℃以上35℃以下が挙げられ、乾燥時間としては、例えば10分以上360分以下が挙げられる。また、上記加熱における加熱温度としては、100℃以上200℃以下の範囲が挙げられ、加熱時間としては、例えば10分以上360分以下が挙げられる。なお、加熱は、不活性ガス(例えば、窒素ガス、アルゴンガス等)雰囲気下で行ってもよい。
弾性層10Dは、弾性を有する層であればよく、特に限定されるものではない。
弾性層10Dは、定着ベルト10への外周側からの加圧に対して弾性を付与する観点で設けられる層であり、記録媒体上のトナー像の凹凸に追従して、定着ベルトの表面がトナー像に密着する役割を担う。
弾性層10Dに用いられる弾性材料としては、例えば、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、シリコーンゴム、フッ素ゴム、フルオロシリコーンゴム等が挙げられる。弾性層の材質としては、耐熱性、熱伝導性、絶縁性等の観点から、シリコーンゴム及びフッ素ゴムが好ましく、シリコーンゴムがより好ましい。
シリコーンゴムの市販品としては、例えば、ダウコーニング社製の液状シリコーンゴムSE6744等が挙げられる。
フッ素ゴムの市販品としては、例えば、DuPont Dow elastmers社製のバイトンB-202等が挙げられる。
無機系の充填剤の材質としては、上記のほか炭化物(例えば、カーボンブラック、カーボンファイバ、カーボンナノチューブ等)、酸化チタン、炭化ケイ素、タルク、マイカ、カオリン、炭酸カルシウム、ケイ酸カルシウム、酸化マグネシウム、黒鉛、窒化ケイ素、窒化ホウ素、酸化セリウム、炭酸マグネシウム等の周知の無機フィラーが挙げられる。
これらの中でも、熱伝導性の点からは、窒化ケイ素、炭化ケイ素、黒鉛、窒化ホウ素、炭化物が好ましい。
弾性層10Dにおける無機系の充填剤の含有量は、求められる熱伝導性、機械的強度等により決定されればよく、例えば、1質量%以上20質量%以下が挙げられ、3質量%以上15質量%以下が好ましく、5質量%以上10質量%以下がより好ましい。
弾性層10Dの弾性材料としてシリコーンゴムを用いる場合、例えば、まず、加熱により硬化されてシリコーンゴムとなる液状シリコーンゴムを含む弾性層形成用塗布液を調製する。次に、接着層形成用塗布液の塗布及び乾燥により形成された接着剤皮膜上に、弾性層形成用塗布液を塗布(例えば、フローコート法(螺旋巻き塗布)による塗布)して弾性塗膜を形成し、例えば、必要に応じて弾性塗膜を加硫させることで、接着剤層上に弾性層が形成される。なお、加硫における加硫温度としては、例えば150℃以上250℃以下が挙げられ、加硫時間としては、例えば30分以上120分以下が挙げられる。
離型層10Eは、記録媒体と接触する側の面(外周面)に、定着時に溶融状態のトナー像が固着するのを抑制する役割を担う層である。離型層は、必要に応じて設けられる。
これらの中でも、耐熱性離型材料としては、フッ素樹脂がよい。
フッ素樹脂として、具体的には、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、ポリエチレン-テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリクロロ三フッ化エチレン(PCTFE)、フッ化ビニル(PVF)等が挙げられる。
また、離型層10Eは、チューブ状の離型層を予め準備し、例えばチューブの内面に接着剤層を形成した上で、弾性層10Dの外周上に被覆させることで、離型層10Eを形成してもよい。
本実施形態に係る定着装置は、前述の本実施形態に係る定着ベルトと、前記定着ベルトの外周面を加圧し、未定着のトナー画像が表面に形成された記録媒体を前記定着ベルトと共に挟み込む加圧部材と、前記定着ベルトの金属層の少なくとも一部(具体的には、金属発熱層)を電磁誘導によって発熱させる電磁誘導装置と、を有する。
以下、本実施形態に係る定着装置の一例を説明するが、これに限られない。
本実施形態に係る定着装置100は上記本実施形態に係る定着ベルトを備える電磁誘導方式の定着装置である。図2に示すごとく、定着ベルト10の一部を加圧するよう加圧ロール(加圧部材)11が配置され、効率的に定着を行う観点で定着ベルト10と加圧ロール11との間に接触領域(ニップ)が形成され、定着ベルト10は加圧ロール11の周面に沿った形に湾曲している。また、記録媒体の剥離性を確保する観点で前記接触領域(ニップ)の末端において定着ベルト10が屈曲する屈曲部が形成される。
なお、電磁誘導発熱装置12の位置は図2に示す位置に限定されず、例えば、定着ベルト10の接触領域に対して回転方向Bの上流側に設置されていてもよいし、定着ベルト10の内側に設置されていてもよい。
未定着トナー像14が形成された記録媒体15は、矢印A方向に、定着装置100における定着ベルト10と加圧ロール11との接触領域(ニップ)に通され、未定着トナー像14が溶融状態として圧力が加えられて記録媒体15に定着される。
本実施形態に係る画像形成装置は、像保持体と、前記像保持体の表面を帯電させる帯電装置と、帯電した前記像保持体の表面に静電潜像を形成する静電潜像形成装置と、前記像保持体の表面に形成された静電潜像をトナーにより現像してトナー像を形成する現像装置と、前記像保持体の表面に形成されたトナー像を記録媒体に転写する転写装置と、前記トナー像を前記記録媒体に定着させる本実施形態に係る定着装置と、を有する。
本実施形態に係る画像形成装置200は、図3に示すように、感光体(像保持体の一例)202、帯電装置204、レーザ露光装置(潜像形成装置の一例)206、ミラー208、現像装置210、中間転写体212、転写ロール(転写装置の一例)214、クリーニング装置216、除電装置218、定着装置100、及び給紙装置(給紙ユニット220、給紙ローラ222、位置合わせローラ224、及び記録媒体ガイド226)を備えている。
中間転写体212の周囲には、感光体202の他に、転写ロール214が設けられている。
感光体202の表面はクリーニング装置216によって清掃された後、除電装置218によって除電される。
(ポリイミド基材層)
外径30mmの円筒形ステンレス型の表面に、下記構造式(PI)で示される繰り返し単位からなるポリイミド樹脂皮膜を形成した。ステンレス型の表面からポリイミド皮膜を剥離することにより、内径30mm、膜厚60μm、長さ390mmの無端ベルト状のポリイミド樹脂基材層を得た。
ポリイミド樹脂基材層の外周面にブラスト処理を施した後、ポリイミド樹脂基材層をpH12に調整したアルカリ水溶液に10分浸漬させた。
次に、ポリイミド樹脂基材層の外周面に、下地金属層として膜厚0.8μmの無電解ニッケルめっき層、金属発熱層として膜厚10μmの銅めっき層と、金属保護層として膜厚10μmのニッケルめっき層を順次形成した。
次に、ニッケルめっき層の外周面に、膜厚200μmのシリコーンゴム弾性層を形成した。
次に、PFAを原料とするフッ素樹脂チューブを弾性層の上に被せた。
基材層の外周面改質のアルカリ水溶液をpH12.4にしたこと以外は実施例1と同様の条件で定着ベルトを得た。
基材層の外周面改質のアルカリ水溶液をpH12.9にしたこと以外は実施例1と同様の条件で定着ベルトを得た。
基材層の外周面改質のアルカリ水溶液をpH13.2にしたこと以外は実施例1と同様の条件で定着ベルトを得た。
基材層の外周面改質のアルカリ水溶液をpH13.2、時間を12分にしたこと以外は実施例1と同様の条件で定着ベルトを得た。
基材層の外周面改質のアルカリ水溶液をpH13.2、時間を14分にしたこと以外は実施例1と同様の条件で定着ベルトを得た。
基材層の外周面改質をせず、その他は実施例1と同様の条件で定着ベルトを得た。
各例の定着ベルトにおける、ポリイミド樹脂基材層の厚さ方向中央部および外周面のイミド化率について、既述の方法に従って測定した。
各例の定着ベルトを20mm幅の輪切り状態に切断後、切り開き、短冊状の評価用サンプルを準備した。短辺の片端を折り曲げて基材層からめっき層(つまり金属層)を手で引き剥がした際のめっき層はがれ程度を以下の基準で評価した。
A:剥離面積50%未満
B:剥離面積50%以上95%未満
C:剥離面積95%以上
各例の定着ベルトを、150℃、100%RHの環境下で96時間保管した。
取り出した定着ベルトを観察して基材と金属層との剥離有無について目視観察し、以下の基準で評価した。
A:剥離発生無し
B:剥離発生あり(3ヶ所未満)
C:剥離発生あり(3ヶ所以上)
各例の定着ベルトを20mm幅の輪切り状態に切断後、切り開き、短冊状の評価用サンプルを準備した。5つの評価用サンプルを輪状に連結させ、R=15とR=4の曲率半径で引っ張り及び圧縮を交互に繰り返す回転装置に巻き付けた。400mm/secで回転させ繰り返し屈曲付加を与え続けクラックが発生するまでの時間を測定した。
特に、本実施例の定着ベルトは、ポリイミド樹脂基材層の外周面のイミド化率を60%以上80%以下とすると、クラック耐久性が高くなることがわかる。
10A 基材
102 下地金属層
104 金属発熱層
106 金属保護層
10B 金属層
10C 接着剤層
10D 弾性層
10E 離型層
11 加圧ロール
11A 基材
11B 弾性層
11C 離型層
12 電磁誘導発熱装置
13 対向部材
13A 支持体
13B パッド
14 トナー像
15 記録媒体
100 定着装置
200 画像形成装置
202 感光体
204 帯電装置
206 露光装置
210 現像装置
212 中間転写体
214 転写ロール
Claims (12)
- 厚さ方向中央部よりも外周面の全面のイミド化率が低い環状のポリイミド樹脂基材層と、
前記ポリイミド樹脂基材層の外周面上に設けられた金属層と、
前記金属層の外周面上に設けられた弾性層と、
を有し、
前記ポリイミド樹脂基材層の厚みが、60μm以上150μm以下である定着ベルト。 - 前記ポリイミド樹脂基材層の外周面の全面におけるイミド化率が、50%以上95%以下である請求項1に記載の定着ベルト。
- 前記ポリイミド樹脂基材層の外周面の全面におけるイミド化率が、60%以上90%以下である請求項2に記載の定着ベルト。
- 前記ポリイミド樹脂基材層の外周面の全面におけるイミド化率が、60%以上80%以下である請求項3に記載の定着ベルト。
- 前記ポリイミド樹脂基材層における、前記厚さ方向中央部と前記外周面の全面とのイミド化率の差(絶対値)が、5%以上50%以下である請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の定着ベルト。
- 前記ポリイミド樹脂基材層における、前記厚さ方向中央部と前記外周面の全面とのイミド化率の差(絶対値)が、10%以上40%以下である請求項5に記載の定着ベルト。
- 前記ポリイミド樹脂基材層における、前記厚さ方向中央部と前記外周面の全面とのイミド化率の差(絶対値)が、20%以上40%以下である請求項6に記載の定着ベルト。
- 前記ポリイミド樹脂基材層が、芳香族ポリイミド樹脂を含む基材層である請求項1~請求項7のいずれか1項に記載の定着ベルト。
- 前記芳香族ポリイミド樹脂が、下記一般式(PI1)で表される構造単位を有するポリイミド樹脂である請求項8に記載の定着ベルト。
(一般式中、RP1はフェニル基、またはビフェニル基を示し、RP2は2価の芳香族基を示す。) - 前記金属層が、前記ポリイミド樹脂基材層の外周面上に設けられた下地金属層と、前記下地金属層の外周面上に設けられた金属発熱層と、前記金属発熱層の外周面上に設けられた金属保護層と、を有する請求項1~請求項9のいずれか1項に記載の定着ベルト。
- 請求項1~請求項10のいずれか1項に記載の定着ベルトと、
前記定着ベルトの外周面を加圧する加圧部材と、
前記定着ベルトの金属層の少なくとも一部を電磁誘導によって発熱させる電磁誘導装置と、
を有し、
未定着のトナー像が表面に形成された記録媒体を前記定着ベルトと前記加圧部材とで挟み込んで前記トナー像を前記記録媒体に定着させる定着装置。 - 像保持体と、
前記像保持体の表面を帯電させる帯電装置と、
帯電した前記像保持体の表面に静電潜像を形成する静電潜像形成装置と、
前記像保持体の表面に形成された静電潜像をトナーにより現像してトナー像を形成する現像装置と、
前記像保持体の表面に形成されたトナー像を記録媒体に転写する転写装置と、
前記トナー像を前記記録媒体に定着させる請求項11に記載の定着装置と、
を有する画像形成装置。
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